LED纳米材料的关键发现：低成本、节能的新光源

来自美国能源部(DOE)阿贡国家实验室、布鲁克海文国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室和SLAC国家加速器实验室的研究人员报告称，他们已经为此类LED制备了稳定的钙钛矿纳米晶体。来自中国台湾地区的研究院也在这项研究中做出了贡献。

钙钛矿是一类具有特殊晶体结构的材料，具有吸光和发光的特性，在一系列节能应用中非常有用，包括太阳能电池和各种探测器。

虽然钙钛矿纳米晶体是一种新型LED材料的主要候选材料，但在测试中证明其不稳定。研究小组将纳米晶体稳定在多孔结构中，这种多孔结构被称为金属有机框架，简称MOF。基于地球上丰富的材料并在室温下制造，这些LED有朝一日可能会使成本更低的电视和消费电子产品以及更好的伽马射线成像设备，甚至是用于医学、安全扫描和科学研究的自供电X射线探测器。

“我们通过将钙钛矿材料封装在MOF结构中来解决其稳定性问题，”DOE用户设施办公室Argonne的奈米材料中心(CNM)的科学家Xuedan Ma说道，“我们的研究表明，这种方法使我们能大幅提高发光纳米晶体的亮度和稳定性。”

美国洛斯阿拉莫斯大学前J. R. Oppenheimer博士后Hsinhan Tsai补充称：“在MOF中结合钙钛矿纳米晶体的有趣概念已经以粉末形式被证明，但这是我们首次成功地将其集成为LED的发射层。”

之前试图制造纳米晶体LED的尝试被纳米晶体降解回不需要的体积相所阻碍，这使其失去了纳米晶体的优势并削弱了它们作为实用LED的潜力。大块物质由数十亿个原子组成。像钙钛矿这样的材料在纳米阶段是由几个到几千个原子组成的，因此表现不同。

在他们的新方法中，研究小组通过在MOF的矩阵中制造纳米晶体来稳定纳米晶体，就像网球被铁丝网夹住一样。他们使用框架中的铅节点作为金属前体，卤化物盐作为有机材料。卤化物盐的溶液中含有甲基溴化铵，它跟框架中的铅反应并在基体中的铅核周围组装纳米晶体。由于基质会使纳米晶体保持分离，所以它们不会相互作用和降解。这种方法是基于一种解决方案涂层的方法，比目前广泛使用的用于制造无机LED的真空处理要便宜得多。

MOF稳定的LED可以制造出明亮的红色、蓝色和绿色光以及每种光的不同色调。

洛斯阿拉莫斯国家实验室综合纳米技术中心的科学家Wanyi Nie说道：“在这项工作中，我们首次证明了在MOF中稳定的钙钛矿纳米晶体将创造出各种颜色的明亮、稳定的LED。我们可以创造不同的颜色、提高颜色纯度并提高光致发光量子产量，这是一种衡量材料发光能力的指标。”

该研究小组使用先进光子源(APS)–DOE位于阿贡的科学用户设施办公室–进行时间分辨X射线吸收光谱分析，这项技术使他们能发现钙钛矿材料随时间的变化。研究人员能跟踪电荷在材料中移动的过程并了解光发射时发生的重要信息。

“我们只能通过APS强大的单个X射线脉冲和独特的时间结构来实现这一点，”阿贡X射线科学部的小组负责人Xiaoyi Zhang说道，“我们可以追踪带电粒子在微小钙钛矿晶体中的位置。”

在耐久性测试中，该材料在紫外线辐射、热和电场下表现良好且不会降解并失去其光探测和发光效率，这是电视和辐射探测器等实际应用的关键条件。